Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Для целей операционных систем реального времени возникла потребность определить отдельные механизмы особыми стандартами, на семь из которых ссылаются наиболее часто: 1003.1a, 1003.1b, 1003.1c, 1003.1d, 1003.1j, 1003.21, 1003.2h. Например:

1003.1a (OS Definition) — определяет базовые интерфейсы ОС;

1003.1b (Realtime Extensions) — описывает расширения реального времени, такие как модель сигналов реального времени, диспетчеризация по приоритетам, таймеры, синхронный и асинхронный ввод-вывод, IPC-механизмы (семафоры, разделяемая память, сообщения);

1003.1c (Threads) — определяет функции поддержки потоков, такие как управление потоками, атрибуты потоков, примитивы синхронизации (мьютексы, условные переменные, барьеры и др., но не семафоры), диспетчеризация.

Этот набор API является базовым для второй ветви [6] При общей истории UNIX, начинающейся с 1971 г. [7], две ветви API — BSD и System V — в их современном виде сформировались достаточно поздно: BSD к 1983 г., a System V к 1987 г. [3, 7]. Но многие IPC-механизмы System V (например, семафоры) сформировались по времени заметно раньше своих аналогов из BSD. Как отмечается в [3]: «Информация об истории разработки и развитии функций System V IPC не слишком легко доступна <���…> очереди сообщений, семафоры и разделяемая память этого типа были разработаны в конце 70х в одном из филиалов Bell Laboratories в городе Колумбус… Эта версия называлась Columbus Unix, или СВ Unix» . UNIX — System V (AT&T Unix System V). Как и оба предыдущих, этот набор API самодостаточен для реализации практически всех возможностей ОС, но использует для этого совершенно другие модели, например сетевую абстракцию TLI вместо сокетов BSD. Для области рассматриваемых нами механизмов - потоков, процессов, синхронизирующих примитивов и др. — в POSIX API и System V API почти всегда существуют функциональные аналоги, отличающиеся при этом как синтаксически, так и семантически. Например, в POSIX API семафор представлен типом sem_tи основными операциями с ним sem_wait()и sem_post(), а в System V API семафор описывается структурой ядра sem, а операции (и wait, и post) осуществляются вызовом semop(). Кроме того, операции производятся не над единичными семафорами, а над наборами (массивами) семафоров (в наборе может быть и один семафор). Как отсюда видно, логика использования принципиально единообразных примитивов существенно отличается.

В технической документации присутствие System V API в QNX не упоминается ни одним словом, но он, как того и требует POSIX, действительно предоставляется и в виде библиотек, и в виде необходимых файлов определений (заголовочных файлов). Просто его заголовочные файлы, определяющие структуры данных и синтаксис вызовов, находятся в других относительно POSIX-интерфейсов местах. Так, например, описание семафоров POSIX API (тип sem_t) расположено в файле , а описание семафоров System V API — в файле (аналогично относительно всех конструкций, моделируемых этим API).

С позиции программиста System V API присутствует в QNX главным образом для переносимости программных проектов, ранее созданных с использованием этого API, например первоначально созданных для других ОС UNIX (Sun Solaris, HP UNIX и др.). В данной книге это семейство API рассматриваться не будет.

При внимательном чтении технической документации [8] и литературы по ОС QNX [1] отчетливо бросается в глаза, что тонкие детали создания и функционирования процессов и потоков описаны крайне поверхностно и на весьма некачественном уровне. Возможно, это связано с тем, что общие POSIX-механизмы уже изучены и многократно описаны на образцах кода в общей литературе по UNIX. Однако большинство литературных источников написано в «допотоковую» эпоху, когда основной исполняемой единицей в системе являлся процесс.

Детальное рассмотрение особенностей именно QNX [7] [4]: глава Д. Алексеева «Получение системной информации». (версии 6.X после приведения ее в соответствие с POSIX, в отличие от предыдущей 4.25) лишний раз подчеркивает, что:

• Процесс является только «мертвой» статической оболочкой, хранящей учетные данные и обеспечивающей окружение динамического исполнения… Чего? Конечно же, потока, даже если это единственный (главный) исполняемый поток приложения (процесса), как это принято в терминологии, не имеющий отношения к потоковым понятиям.

• Любые взаимодействия, синхронизация, диспетчеризация и другие механизмы имеют смысл только применительно к потокам, даже если это потоки, локализованные в рамках различных процессов. Вот здесь и возникает термин, ставший уже стереотипным: «IPC — средства взаимодействия процессов». Для однопотоковых приложений этот терминологический нюанс не вносит ровно никакого различия, но при переходе к многопотоковым приложениям мы должны рассуждать в терминах именно взаимодействующих потоков, локализованных внутри процессов (одного или различных).

• В системах с аппаратной трансляцией адресов памяти (MMU — Memory Management Unit) процесс создает для своих потоков дополнительные «границы существования» — защищенное адресное пространство. Большинство сложностей, описываемых в литературе в связи с использованием IPC, обусловлено необходимостью взаимодействующих потоков преодолевать адресные барьеры, устанавливаемые процессами для каждого из них. (Что касается MMU, то выданной книге предполагается исключительно x86-архитектура, хотя количество аппаратных платформ, на которых работает ОС QNX, на сегодняшний день уже перевалило за десяток.)

Модель потоков QNX в значительной степени напоминает то, что происходит с процессами в MS-DOS или с задачами (task) в существенно более поздней ОС реального времени VxWorks: исполнимые единицы разделяют единое адресное пространство без каких-либо ограничений на использование всего адресного пространства. В рамках подобной модели в QNX можно реализовать и сколь угодно сложный комплекс, трансформировав в потоки отдельные процессы, составляющие этот комплекс, с тем только различием, что в QNX все элементы собственно операционной системы продолжают работать в изолированном адресном пространстве и не могут быть никоим образом включены (и тем самым повреждены) в пространство приложения.

И в технической документации QNX, и в книге Р. Кертена [1] много страниц уделено описанию логики процессов, потоков, синхронизации и многим другим вещам в терминах аллегорических аналогий: коллективное пользование ванной комнатой, кухней... Если согласиться, что такие аллегории более доходчивы для качественного описания картины происходящего (что, похоже, так и есть), то для иерархии «операционная система — процесс — поток» можно найти существенно более близкую аллегорию: «аквариумное хозяйство». Действительно: